慣性測量單元 IMU 傳感器選購時需考慮的主要關(guān)鍵規(guī)格

文章出處：新聞資訊責(zé)任編輯：深圳市廣陵達(dá)科技有限公司發(fā)表時間：2023-12-29 09:57:27

解釋慣性測量單元規(guī)格

慣性測量單元傳感器的應(yīng)用范圍廣泛，主要基于精度和漂移誤差。IMU 通常有“性能等級”，基本上將產(chǎn)品性能和航位推算能力（無輔助導(dǎo)航）與典型的市場應(yīng)用聯(lián)系起來，以幫助進(jìn)行一般選擇。例如，與商業(yè)級 IMU 相比，高端戰(zhàn)術(shù)級 IMU 具有更低的漂移和偏差不穩(wěn)定性以及更好的航位推算能力。以下是典型的性能等級與應(yīng)用指南：

性能等級	偏差不穩(wěn)定	應(yīng)用領(lǐng)域	航位推算	陀螺儀類型
消費者/愛好	>20°/小時	運動檢測	不適用	微機電系統(tǒng)
工業(yè)/戰(zhàn)術(shù)	5至20°/小時	機器人技術(shù)、測量和工業(yè)應(yīng)用、平臺穩(wěn)定性	約 3 至 5 分鐘	微機電系統(tǒng)
高端戰(zhàn)術(shù)	0.1至5°/小時	自主系統(tǒng)和平臺穩(wěn)定性	約 10 分鐘	MEMS/FOG/RLG
導(dǎo)航	0.01至0.1°/小時	航空航天/海事/AUV導(dǎo)航	幾個小時	FOG / RLG
戰(zhàn)略	0.0001至0.01°/小時	潛艇導(dǎo)航	幾個小時	FOG / RLG

與大多數(shù)產(chǎn)品和技術(shù)一樣，慣性測量單元的性能通常與成本直接相關(guān)。了解 IMU 傳感器的規(guī)格及其推斷是為特定應(yīng)用選擇合適且經(jīng)濟高效的 IMU 解決方案的關(guān)鍵。以下是一些需要考慮的關(guān)鍵規(guī)格。

慣性測量單元 IMU

偏差不穩(wěn)定

偏置不穩(wěn)定性，也稱為“運行中偏置穩(wěn)定性”，表示傳感器輸出在穩(wěn)定溫度下隨著時間的推移運行期間漂移的量。漂移本質(zhì)上是由傳感技術(shù)的物理限制引起的，并且由于它是傳感器固有的或系統(tǒng)性的，因此漂移誤差會累積。偏差不穩(wěn)定性可能是確定特定應(yīng)用的 IMU 類型的最關(guān)鍵規(guī)格，因為它提供了與時間相關(guān)的整體不穩(wěn)定性值以及最佳可能的精度估計。

Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中實現(xiàn)了 3°/小時的陀螺儀偏置不穩(wěn)定性，在 Boreas D90 數(shù)字 FOG 中實現(xiàn)了 0.001°/小時的陀螺儀偏置不穩(wěn)定性。對于加速偏差不穩(wěn)定性，Orientu s 達(dá)到 20 μg，Boreas D90 達(dá)到 7 μg。

初始偏差

接通后，當(dāng)陀螺儀和加速度計均靜止且處于熱穩(wěn)定狀態(tài)時，無論旋轉(zhuǎn)力或加速力如何，傳感器都將呈現(xiàn)可測量的輸出或偏移誤差。由于測量之間的熱、物理、機械和電氣變化，該初始偏置在每次開啟時可能會有所不同。

由于初始偏差的性質(zhì)不同，因此在生產(chǎn)過程中無法對其進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，輔助導(dǎo)航系統(tǒng)（例如，使用 GNSS）可以更好地估計初始偏差并在輸出測量中過濾它。每次開啟后初始偏置越穩(wěn)定，濾波效果就越佳。也可以說，初始偏差誤差越低，濾波通常越可靠。初始偏差穩(wěn)定性與無輔助導(dǎo)航系統(tǒng)或執(zhí)行陀螺羅經(jīng)的系統(tǒng)最相關(guān)。

Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中實現(xiàn)了 <0.2°/s 的陀螺儀初始偏差，在 Boreas D90 數(shù)字 FOG 中實現(xiàn)了 <0.01°/hr 的陀螺儀初始偏差。對于加速初始偏差，Orientus 達(dá)到 <5 mg，Boreas D90 達(dá)到 <100 μg。

范圍和分辨率

范圍是傳感器可以測量的最小和最大輸入值限制。任何低于最小值或高于最大值的輸入都無法準(zhǔn)確測量，因此傳感器不會產(chǎn)生任何輸出。加速度計的范圍定義為 g 單位 (1 g = -9.8 m/s2)；磁力計使用 G 等級（“高斯”）來定義，陀螺儀（角速率傳感器）則以°/s 為單位。

分辨率基本上是測量精度。也就是說，在沒有任何信號不穩(wěn)定的情況下，傳感器的測量增量有多精細(xì)。分辨率越高（測量增量越?。?，靈敏度越高，準(zhǔn)確度越好。

范圍和分辨率值通常是相互關(guān)聯(lián)的，通常傳感器范圍越窄，傳感器分辨率越高。想象一下兩個傳感器；傳感器 A 的量程為 ± 2 g，分辨率為 0.05，傳感器 B 的量程為 ± 10 g，分辨率為 0.5。在此示例中，傳感器 B 提供的重力范圍是傳感器可承受的 5 倍，但傳感器 A 的分辨率要精確 10 倍。

一些 Advanced Navigation 產(chǎn)品具有可配置的范圍，可以在各種應(yīng)用中提供最佳的分辨率。例如，Certus MEMS INS 可以提供±2 g、±4 g 或±16 g 的加速度，以及±250 °/s、±500 °/s 或±2000 °/s 的陀螺儀旋轉(zhuǎn)速率。

比例因子/比例誤差

比例因子是描述傳感器輸出變化與被測輸入變化之間的誤差的比率。例如，比例因子為 0.1% 的加速度傳感器檢測到 2 g (19.61 m/s2) 的實際加速度時可能會輸出 19.63 m/s2 的值。比例因子越小，實際輸入與 IMU 產(chǎn)生的偏差校正輸出之間的誤差就越小。比例因子誤差通常隨溫度變化，必須在工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)。

制造商通常將此偏差定義為百分比或百萬分之一 (ppm)。高級導(dǎo)航在 Orientus MEMS IMU 中實現(xiàn)了 <0.04% 的陀螺儀比例因子，在 Boreas D90 數(shù)字 FOG 中實現(xiàn)了 80 ppm。對于加速比例因子，Orientus 達(dá)到 0.06%，Boreas D90 達(dá)到 100 ppm。

比例因子穩(wěn)定性

比例因子穩(wěn)定性描述了由于溫度而導(dǎo)致的比例因子/比例誤差的任何變化以及該變化的可重復(fù)性的一致性。例如，比例因子穩(wěn)定性較差的傳感器可能會隨著溫度的變化而更快地失去精度，并且即使在穩(wěn)定的溫度下，其輸出的一致性也會較差。

制造商通常將此偏差定義為百分比或百萬分之一 (ppm)。高級導(dǎo)航在 Orientus MEMS IMU 中實現(xiàn)了 <0.05% 的陀螺儀比例因子穩(wěn)定性，在 Boreas D90 數(shù)字 FOG 中實現(xiàn)了 10 ppm。對于加速比例因子穩(wěn)定性，Orientus 達(dá)到 <0.06 %，Boreas D90 達(dá)到 100 ppm。

噪音和噪音密度

噪聲可以描述為傳感器輸出的隨機變化，而傳感器的輸入和傳感器運行的條件保持不變。傳感器噪聲越“密集”，在給定帶寬上噪聲的影響或“功率”越大，輸出的方差也越大。這可能會扭曲或降低原始輸出的質(zhì)量并引入歧義。

為了幫助克服噪聲，或者至少將其最小化，傳感器處理器可以平均或計算噪聲信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并以較低的速率輸出——這是“下采樣”的過程，它減少了測量到的噪聲量進(jìn)入傳感器輸出。噪聲密度通常用信號噪聲除以采樣率的平方根來衡量。

Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中實現(xiàn)了 0.004 °/s/√Hz 的陀螺噪聲密度，在 Boreas D90 數(shù)字 FOG 中實現(xiàn)了 0.06 °/hr/√Hz 的陀螺噪聲密度。對于加速比例因子穩(wěn)定性，Orientus 達(dá)到 100 μg/√Hz，Boreas D90 達(dá)到 <30 μg/√Hz。

隨機游走

隨機游走是當(dāng)信號用于計算其他數(shù)據(jù)時由信號噪聲引起的輸出漂移。例如，當(dāng)對來自陀螺儀的角速率信號進(jìn)行積分以確定角度時，測量結(jié)果將由于信號噪聲而隨時間漂移，并且可能表現(xiàn)為從一個樣本到下一個樣本的隨機步驟。通過將隨機游走乘以時間的平方根，可以計算出噪聲引起的漂移的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

陀螺儀的隨機游走稱為角度隨機游走 (ARW)，加速度計的隨機游走稱為速度隨機游走 (VRW)。對于陀螺儀，隨機游走的規(guī)范通常以 °/√s 或 °/√hr 為單位，對于加速度計，通常以 m/s/√s 或 m/s/√hr 為單位。

Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中實現(xiàn)了 0.24 °/√hr 的 ARW，在 Boreas D90 數(shù)字 FOG 中實現(xiàn)了 0.001 °/√hr 的 ARW。對于 VRW，Boreas D90 達(dá)到 17 mm/s/√hr。